IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Praktikum školních pokusů 1 Optika 1A Zdeněk Navrátil Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity, Brno 1 -00.0 Q IR záření Q UV záření O Emisní spektra O Světelné zdroje Q Absorpční spektra Q Fotoelektrický jev 0 Vnímání světla a barev O Stroboskopický jev IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 1 O Prokažte existenci IR záření ve spektru žárovky. Světlo rozložte hranolem, použijte různé detektory: fotodiódu, fototranzistor, fotoodpor, fotonku, CCD/CMOS čip v kameře či fotoaparátu (i na mobilu) O Předešlou konfiguraci využijte pro měření absorpce IR záření v různých látkach (skle, determálním skle, plexiskle, křemíku, vodě apod.). O Vysvětlete příčinu otáčení radiometru. O Diskutujte princip měření intenzity záření pomocí fotodiódy, vnitřní fotoelektrický jev. 0 Detekujte IR záření akusticky. 1 -00.0 IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Detekce IR záření IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Radiometr - které vysvětlení je správné? • Černá strana získá absorpcí fotonu hybnost o velikosti Ap = h/X (tlak záření, Crooks 1873). • Ale lesklá strana získá odrazem fotonu hybnost dvojnásobné velikosti Ap = 2/7/A. • Černá strana se více ohřívá, od ní i molekuly zbytkového plynu, ty na ní více naráží, což představuje větší tlak plynu u černých ploch. • Molekuly plynu tečou na okrajích lopatek mlýnku z místa studenějšího (lesklá) strana na teplejší (černá strana), přitom tangenciálními silami roztáčejí mlýnek (Reynolds 1879). a Z černých ploch se zahříváním uvolňují plyny, fungují jako reaktivní motor. a Na černé straně probíhá silněji fotoelektrický jev, ta ztrácí elektrony. http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html IR záření UV záření Emisní spektra Detektory záření Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev • fotodiódy • fotoodpory • fototranzistory a fotonka • fotonásobič • plošné detektory (CMOS, CCD, PDA, ICCD) IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra I Světlo a barva Stroboskopický jev Fotodióda ® IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Fotodióda - fotokonduktivní zapojení • světlem kontrolovaný zdroj proudu • dioda je v závěrném směru • s ozářením se mění vodivost přechodu • lepší frekvenční charakteristika (rychlost) a linearita • vyšší temný proud a šum IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Fotodióda - fotovoltaické zapojení • dioda jako zdroj napětí • měříme proud diodou pomocí OZ v zapojení transimpendanční zesilovač • oproti fotokonduktivnímu zapojení vykazuje signál nižší šum 1 -00.0 IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Fotodióda - typy Si BPW34 400-1100 nm InGaAs PT410 1.0-1.65 //m • Ug = 1.12 eV pro Si, 1.8 eV for GaAsP *o> IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Fotodióda - typy malá citlivost Si v UV oblasti - další typy Ti02, GaR SiC, GaN 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Wavelength, nm zx: 22i) 2ic 2fii) 2B!) :«:■:) í-i:i aso [íkd -ido 42d 44U 46D 4ho ďoo wawelength [nm] GaP Ti02 http: //www.roithner-laser.com/Silicon_cros s.htm 4 □ ► 4 S ■0 0.0 IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev CCD - Charge-Coupled Device SEMICONDUCTOR • PDA (Photodiode array) x CCD • zlepšení citlivosti v oblasti UV 200 - 400 nm (pokrytí fluorescentním barvivem) • chlazení Peltierovým článkem nebo kapalným dusíkem potlačení šumu (až na 1 el/px/hod) IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoefekt Světlo a barva Stroboskopický jev CCD - Charge-Coupled Device ov +v ov ov +v ov ov +v 1XXXXXXI OV +v +v OV +v +v ov +v XXXXi 1,3 0 0,1 ose->J ses. l 'v _8se +j ______ ____ ov ov +v ov ov +v ov ov XXXXXXXJL IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 2 O V uspořádání z experimentu na detekci IR záření vyměňte halogenovou lampu za rtuťovou výbojku. Jak to, že je spektrum nyní čárové? Jaké vlnové délky jsou ve spektru? Část stínítka překryjte luminescenčním papírem různých barev a komentujte barvy pozorovaného spektra. Zvažte vhodnost použitého hranolu, případně fukusující čočky. O Do cesty záření vkládejte různé druhy skel, brýle s UV filtrem apod. Q Místo hranolu použijte difrakční mřížku na odraz. O Samotnou rtuťovou výbojku zakryjte filtrem propouštějícím pouze UVA záření (pozor na přehřátí filtru!) nebo použijte černé světlo. Pozorujte ochranné prvky bankovek, jízdenek a průkazů. O Místo černého světla - výbojky - si vyzkoušejte levnou žárovkovou náhradu. IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 3 O Vytvořte spektrum rtuťové výbojky na opt. lavici pomocí optického hranolu a mřížky. Komentujte rozdíly. O Optickým spektroskopem pozorujte spektrum úsporné zářivky. Co je zdrojem záření v této zářivce? O Pomocí Ruhmkorffova induktoru zapalte výboj v různých Geislerových trubicích a pozorujte jejich spektrum. Vysvětlete, v jakých případech je spektrum čárové, pásové a spojité. Q Pozorujte spektrum vysokotlaké sodíkové výbojky po zapnutí. Jak vysvětlíte absorpční pás na spojitém pozadí namísto ostrých emisních čar? O Místo optického spektroskopu si vyzkoušejte jednoduchý mřížkový spektroskop z CD/DVD. IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 4 O Sestavte obloukovou lampu. Lampu napájejte ze zdroje proudu. Diskutujte nutnost užití proudového zdroje či zařazení predradného odporu, zdroj elektronů a iontů ve výboji. Záření pozorujte přes svářečský filtr. O Demonstrujte zapojení zářivky. Vysvětlete význam doutnavkového startéru a tlumivky v obvodu. 1 -00.0 IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 5 O Pozorujte absorpci záření v barevných kapalinách. Kyvetu vkládejte hned za štěrbinu, případně do různých míst stínítka. O Všimněte si vyzařování kapaliny. Co ho způsobuje, jaké zákonitosti platí pro toto záření? O Pozorujte absorpci záření v RGB nebo CMY filtrech. Zkombinujte některé filtry dohromady. IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Absorpce v kapalinách IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Barviva pro absorpci Pro demonstraci jsou vhodná barviva s absorpcí ve viditelné oblasti. U fluoresceinu a eosinu Y lze navíc pozorovat silnou luminiscenci. IR záření U V záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 6 O Naučte se elektroskop nabíjet kladně i záporně, i s jedinou dvojicí tyč + kožešina. Předpovězte znaménko náboje elektroskopu podle triboelektrické řady. O Horní plochou elektrodu nabitého elektroskopu ozařujte UV zářením (obě polarity). O Odstraňte případný oxid na elektrodě a pokus opakujte. Můžete také filtrem/sklem omezit vlnové délky či vyměnit elektrodu za druhou z jiného materiálu (Zn, AI...). Jaký je červený práh fotoefektu u těchto materiálů? O použijte fotonku pro měření intenzity záření, porovnejte s fotočlánkem/fotodiodou - vnitřní x vnější fotoelektrický jev 1 -00.0 IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Fotonka a fotonásobič (PMT) a charakteristiky responsivity / radiant sensitivity, R (mA/W), quantum efficiency QE (elektron/foton), temný proud • čítače fotonů IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Triboelektrická řada + > -9 u = .2 .íir í >• 9-> i -S "g ™ ^ i >.| 5 g-S * I E S S EÔ3 Sfŕ| 5ooo!=? : i/iF Charles K Adams (1987) NÁTURE'S ELECTRICITY p. 63 Látka více vlevo od jiné látky se „třením" nabíjí kladně, více vpravo záporně. Pozice blízkých látek je relativní, záleží na více parametrech. 1 -00.0 IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Experimenty 7 O Fotometrické veličiny (světelný tok, svítivost, osvětlení, jas, definice kandely) O Měření osvětlení luxmetrem O Princip vnímání barev, barevný diagram O Pozorování barevných objektů v monochromatickém světle O Aditivní/subtraktivní skládání barev: rozřízlá čočka, RGB a CMY filtry, dělený barevný kotouč pod UVA výbojkou O Skládání barev na obrazovce počítače (reprezentace barvy v počítači), dataprojektor jako spektrálně laditelný zdroj Q Realizace skládání barev v různých systémech (bílá LED, kompaktní zářivka, tiskárna, LCD, DLP projekce) IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoefekt Světlo a barva Stroboskopický jev Světelná účinnost monochromatického záření Vlnová délka (nm) Účinnost monochromatického záření K(X) = KmaxV(\) • fotopické vidění (čípky): Kmax = 683 Im/W (555 nm) a skotopické vidění (tyčinky): K"max = 1700 Im/W (507 nm) (g) IR záření U V záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Spektrální charakteristiky Vlnová délka (nm) Cone Fundamentals Vlnová dálka (nm) Členitelé prostoru XYZ http://www.cvrl.org/ http://www.efg2.com/Lab/Library/Color/Science.htm IR záření UV záření Emisní spektra Světelné zdroje Absorpční spektra Fotoetekt Světlo a barva Stroboskopický jev Prostor XYZ - výpočet souřadnic ze spektra x Y N X *e(A)7(A)dA 7; /'=1 N